CC BY
71
ДОВОДКА ГАЗОВОГО ДВИГУНА, ПЕРЕОБЛАДНАНОГО
З ДИЗЕЛЯ
В.І. Захарчук, доцент, к.т.н., І.С. Козачук, асистент, О.В. Захарчук, магістрант, Луцький державний технічний університет
Анотація. Проаналізовано слабкі сторони газового двигуна,
переобладнаного з дизеля, і розглянуто Ключові слова: газовий двигун, дизель,
Вступ
Сьогодні в нашій державі масштаби використання газових двигунів невеликі. Але розвиток застосування такого виду палива є до-цільним, хоча б тому, що він забезпечує більшу незалежність від монопольної поставки нафти і диктування цін на нафтопродукти. При цьому доцільно не створювати оригінальні конструкції, а переобладнувати рідкопаливні двигуни в газові з забезпеченням їхньої максимальної уніфікації з базовими. Переобладнують в газові як бензинові двигуни, так і дизелі. Але з переобладнанням бензинових двигунів у газові для роботи на природному газі має місце зниження потужності на 18 - 22 %. Тому доцільно використовувати газові двигуни з високим ступенем стиску, відповідно до октанового числа природного газу, наприклад, створені на основі дизелів.
Аналіз публікацій
Переобладнання дизелів можливе за двома напрямами - газодизельному і газовому. Застосування газодизельного процесу в даний час практично припинено, оскільки в цьому випадку дизельне паливо не повністю замінюється газом і екологічні показники газодизеля не набагато кращі, ніж у дизеля. Крім того, в газодизеля нижчою є експлуатаційна надійність. Ідея
переобладнання дизельного двигуна в газовий з іскровим запалюванням виникла порівняно недавно, але зараз над цим питанням працюють у багатьох країнах
можливості їх усунення. природний газ, переобладнання.
світу [1, 2, 3]. Особливо значного поширення газові двигуни набувають на міських та приміських автобусах. На підтвердження цього слід сказати, що зараз в Західній Європі експлуатується на метані більше 2500 міських автобусів тільки однієї марки MAN Lions Siti з газовими двигунами серії D2866, створеними на базі дизелів. На деяких міських автобусах практикується
встановлення меншої кількості газових балонів і застосування дозаправки газом на кінцевих зупинках від міської газотранспортної мережі або пере-сувних автогазозаправників.
Мета та постановка задачі
У Луцькому державному технічному університеті переобладнано дизель Д-240 в газовий двигун. Ставилося за мету здійснити саме просте переобладнання, яке можна виконувати в умовах автотранспортних підприємств та сервісних центрів зі встановлення газобалонного обладнання. Тобто на перше місце було поставлено зменшення затрат на паливо при виконанні перевезень.
Результати роботи
Були проведені моторні випробування створеного двигуна, які підтвердили його роботоздатність і ряд переваг перед дизелем [4, 5, 6]. Зокрема, він має менші, в порівнянні з дизелем, викиди основних шкідливих речовин з відпрацьованими газами і зовсім не викидає сажі, має малу
шумність, працює на паливі, яке вдвічі дешевше дизельного. При цьому потужність газового двигуна усього на 4 % менша, ніж у базового дизеля, а питома витрата палива є дещо більшою, ніж у дизеля (табл. 1), оскільки він працює на більш багатих сумішах.
Таблиця 1 Показники двигуна Д-240
Параметри Дизель Г азовий
Ступінь стиску 16 12
Частота обертання колінчастого вала, хв-1 2200 2200
Коефіцієнт надлишку повітря 1,5 1,2
Нижча теплота згоряння палива, МДж/кг (МДж/м3) 42,5 35
Питома ефективна витрата палива, кг/кВт год (м3/кВт год) 0,233 0,312
Ефективна потужність, кВт 59,1 56,2
Наступним етапом досліджень є проведення дорожніх випробувань, але перед установкою такого двигуна на автомобіль необхідно провести ряд заходів по його доводці. Сюди входить доробка камер згоряння, забезпечення обмеження максимальної частоти
обертання, поліпшення пускових
властивостей, зменшення викидів оксидів азоту з відпрацьованими газами.
На сьогоднішній день існують дві концепції переобладнання дизелів у газові двигуни з іскровим запалюванням [3]:
- стехіометричний двигун (працює при а = 1,0);
- двигун, який працює на бідних сумішах (а =1,4... 1,6).
Обом концепціям властиві певні недоліки. При використанні першої концепції потужність газового двигуна практично така
ж, як і базового дизеля, але дещо зростає витрата палива і, що головне, підвищується теплова напруженість деталей двигуна і збільшуються викиди оксидів азоту КОх. Для зменшення цих викидів необхідно встановлювати систему каталітичної нейтралізації вихлопних газів, яка має досить високу вартість.
При використанні другої концепції викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами залишаються на прийнятному рівні,
але має місце зниження потужності газового двигуна в порівнянні з дизелем. Щоб компенсувати це зменшення необхідно застосовувати наддув (бажано з охолоджуванням повітря, яке наддувається), що ускладнює конструкцію двигуна.
Було вирішено застосувати проміжний варіант переобладнання, коли на номінальному режимі для забезпечення незначного зменшення потужності двигун працює із а = 1,2, а на режимах часткових навантажень - на ще бідніших сумішах. Організація роботи газового двигуна на бідних сумішах, на режимах неповних навантажень дозволить газовому двигуну наблизитися за витратою палива до дизеля.
На першому етапі переобладнання дизеля в газовий двигун здійснювалося з можливістю зворотної конвертації. Зокрема, зменшення ступеня стиснення двигуна досягалося установкою трьох прокладок головки циліндрів. Таке переобладнання не забезпечує достатньої експлуатаційної надійності двигуна з високим ступенем стиску (е = 12). Крім того, в дизелі Д-240 камера згоряння виконана в поршні (рис. 1, а), тобто є суто дизельною, закритого типу. Для забезпечення нормального протікання робочого процесу газового двигуна з іскровим запалюванням дороблені його камери згоряння, як показано на рис. 1, б. При цьому довелось відмовитись від можливості зворотного переобладнання газового двигуна в дизель, оскільки у газового двигуна переваг набагато більше, ніж у дизеля.
а
б
Рис. 1. Камери згоряння двигуна Д-240: а -дизеля; б - газового двигуна У такому випадку ступінь стиску
зменшується до необхідної величини і відпадає необхідність в установці додаткових прокладок під головку циліндрів. Крім того, така камера згоряння забезпечить достатнє завихрення заряду на впуску. При вибраному профілі виїмки під камеру згоряння спрощується доведення її об’єму для оптимізації ступеня стиску двигуна. Доробка камери згоряння в процесі конвертації газового двигуна з дизеля здійснюється на токарному верстаті.
У газовому двигуні, переобладнаному з дизеля, необхідно забезпечити обмеження максимальної частоти обертання.
Номінальна частота обертання цього двигуна повинна бути такою ж, як і в дизеля для недопущення зростання інерційних сил. Ця частота обертання виявилася достатньо низькою для двигуна з іскровим запаленням, тому при різкому знятті навантаження він може її значно перевищити.
Для обмеження максимальних обертів на двигуні встановлений газовий змішувач СГ-250 з виконавчим механізмом обмежувача максимальної частоти обертання (рис. 2) відцентрово-вакуумного типу. Датчик обмежувача відрегульований на
спрацьовування при перевищенні частоти 2200 хв-1 зміною жорсткості пружини клапана. З метою забезпечення рівномірного розподілу горючої суміші по циліндрах на двигун замість впускної труби дизеля було встановлено впускний колектор власної конструкції.
Рис. 2. Встановлення газового змішувача
Для поліпшення запуску газового двигуна при мінусових температурах встановлено спеціальну пускову систему, в яку входить електромагнітний клапан з дозуючим
жиклером. Клапан сполучений трубками з
першим ступенем редуктора низького тиску і газоповітряним змішувачем. При запуску холодного двигуна через цей клапан газ під тиском надходить в змішувач безпосередньо з першого ступеня редуктора, забезпечуючи необхідне збагачення горючої суміші.
Проведені дослідження виявили деякі особливості протікання робочого процесу
газового двигуна. Зокрема те, що
газоповітряна суміш має гіршу займистість порівняно з бензоповітряною сумішшю. Тому для компенсації більш низької займистості газоповітряної суміші
застосовано системи запалення високої енергії та досконаліші свічки запалення. Для зменшення негативного впливу підігріву
впускного колектора при наповненні
циліндрів свіжим зарядом його з’єднання з головкою циліндрів здійснено через
теплоізолюючі шайби. Переривач-розподільник системи запалення
встановлений безпосередньо в приводі паливного насоса (рис. 3), а не на ПНВТ, як у першому варіанті газового двигуна.
Рис. 3. Встановлення переривача-розподіль-ника
Важливим є забезпечення експлуатаційної надійності газового двигуна, конвертованого з дизеля. Температура відпрацьованих газів цього двигуна на режимі повного
навантаження вища, ніж у дизеля. Розрахунки показують, що вища і максимальна температура циклу. Тому наступним етапом досліджень є зняття індикаторної діаграми газового двигуна та її порівняння з індикаторною діаграмою дизеля для перевірки можливості тривалої
експлуатації. В камеру згоряння третього циліндра двигуна встановлено п’єзоелектричний датчик тиску (рис. 2) та створений комплекс для зняття та обробки
індикаторних діаграм. На рис. 4 показано встановлення датчика положення ВМТ. Також для визначення полів оптимальних регулювань будуть повторно зняті регулювальні характеристики газового двигуна за кутом випередження запалювання та за складом суміші з одночасним записом індикаторних діаграм.
Рис. 4. Встановлення датчика положення ВМТ
В Україні є розгалужена мережа магістральних та розподільчих газопроводів, проте
кількість АГНКС недостатня. Але збільшувати кількість автомобілів з газовими двигунами можна, не чекаючи будівництва великої кількості автомобільних газових заправок. Наприклад, такі автомобілі можна експлуатувати на постійних маршрутах, зокрема в містах та передмістях. Переобладнання дизелів автобусів у газові двигуни буде сприяти виключенню з атмосфери великих міст основного компонента вихлопних газів дизелів - сажі. Це найбільш канцерогенна складова викидів, яка виділяється в навколишнє середовище у великих кількостях. Також
унеможливлюються викиди оксидів сірки.
Особливо виправданою є конвертація в газові двигуни дизелів при необхідності ремонту їх циліндро-поршневої групи або паливної апаратури. В цьому випадку витрати на переобладнання дизеля частково компенсуються за рахунок коштів, які все одно необхідно витрачати на ремонт.
Висновки
Переведення навіть частини автомобілів з дизельними двигунами на живлення природним газом дасть значний економічний ефект у масштабах держави, оскільки витрати на паливо зменшуються більше, ніж у два рази. Оскільки газовий двигун викидає менше шкідливих речовин з відпрацьованими газами, зовсім не викидає сажі та оксидів сірки і має невелику шумність, доцільним є установка газових двигунів замість дизелів на міських автобусах, що дозволить значно поліпшити екологічну обстановку у великих містах.
Література
1. Kamel M.M. Duggal V.K. Cummins B5.9G
Natural Gas Engine. NGV’94 International Conference. Toronto, Ontario, Canada.
2. Yutaka Takada, Hiroshi Matsuda, Kahachi
Iioka. Development of an Urban Bus with a Turbocharger and Aftercooled Lean - Burn CNG Engine for low Emissions. NGV’94 International Conference. Toronto, Ontario, Canada.
3. Луканин В.Н., Хачиян А.С., Кузнецов
В.Е., Федоров В.М. Сравнительный анализ способов конвертации жидкотопливных двигателей в двигатели, питаемые природным газом // Экология двигателей и автомобиля / Сб. научн. тр. - М.: Изд. НАМИ, 2001. - С. 97- 103.
4. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Коза-
чук І.С., Матейчик В.П., Яновський В.В. Дослідження можливості конвертації дизеля в газовий двигун // Міжвузівський збірник наукових праць (за напрямом «Інженерна механіка»). -Луцьк. - 2003. - Вип. 13 - С. 125-129.
5. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Коза-
чук І.С. Техніко-економічні аспекти конвертації дизелів у газові двигуни //
Вісник Східноукраїнського
національного університету імені В. Даля. - Ч. 1. - 2004. - №7 (77). - С. 114117.
6. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Коза-чук І.С. Розрахунково-експериментальні дослідження газового двигуна, переобладнаного з дизеля // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2005. - Вып. 16. - С. 276-278.
Рецензент: Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 16 травня 2007 р.
